DE112010000683B4 - Method and apparatus for non-contacting surface measurement - Google Patents

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Abstract

Verfahren für ein nicht-kontaktierendes Messen einer Oberflächenform eines Werkstücks durch Autofokussierungssteuerung eines autofokussierenden Optiksystems einer Lasersonde in einer vertikalen Richtung (Z) in Bezug auf eine Oberfläche des Werkstücks (1) und durch kontinuierliches Abtasten des Werkstücks in einer horizontalen Richtung (X, Y), zum Messen der Oberflächenform des Werkstücks in Übereinstimmung mit einer Verschiebungsgröße einer Objektivlinse (4) des autofokussierenden Optiksystems in der vertikalen Richtung, das derart gesteuert wird, dass ein Rückstrahl (L') der Lasersonde in fokussierter Position in der Mitte eines zweiteiligen Sensors (5) empfangen wird, wobei das Verfahren für ein nicht-kontaktierendes Messen einer Oberflächenform folgende Schritte umfasst: Erfassen einer Spannungsdifferenz zwischen den beiden Sensoren des zweiteiligen Sensors und Bestimmen, ob die erfasste Spannungsdifferenz innerhalb eines Nachbarschaftsbereichs liegt, der soweit um die fokussierte Position festlegbar ist, dass der Rückstrahl (L') der Lasersonde beide Sensoren des zweiteiligen Sensors teilweise erreicht, Berechnen, wenn die erfasste Spannungsdifferenz innerhalb des Nachbarschaftsbereichs liegt, eines Korrekturwerts für eine Position der Objektivlinse (4) in der vertikalen Richtung in Bezug auf die fokussierte Position, und Addieren des Korrekturwerts zu der tatsächlichen Position der Objektivlinse in der vertikalen Richtung, um die Verschiebungsgröße der Objektivlinse (4) in der vertikalen Richtung zu berechnen, wobei, wenn die erfasste Spannungsdifferenz nicht innerhalb des Nachbarschaftsbereichs liegt, das kontinuierliche Abtasten in der horizontalen Richtung gestoppt wird, bis die Spannungsdifferenz durch Tätigkeit der Autofokussierungssteuerung wieder in den Nachbarschaftsbereich kommt.Method for non-contacting measurement of a surface shape of a workpiece by auto-focusing control of an auto-focusing optical system of a laser probe in a vertical direction (Z) with respect to a surface of the workpiece (1) and by continuously scanning the workpiece in a horizontal direction (X, Y) , for measuring the surface shape of the workpiece in accordance with a displacement amount of an objective lens (4) of the autofocusing optical system in the vertical direction, which is controlled so that a return beam (L ') of the laser probe in a focused position in the center of a two-part sensor (5 ), wherein the method for a non-contacting measurement of a surface shape comprises the following steps: detecting a voltage difference between the two sensors of the two-part sensor and determining whether the detected voltage difference lies within a neighborhood area that extends around the focused P. osition can be determined that the return beam (L ') of the laser probe partially reaches both sensors of the two-part sensor, calculating, if the detected voltage difference is within the neighborhood area, a correction value for a position of the objective lens (4) in the vertical direction with respect to the focused position, and adding the correction value to the actual position of the objective lens in the vertical direction to calculate the amount of displacement of the objective lens (4) in the vertical direction, and if the detected voltage difference is not within the neighborhood range, continuous scanning in the horizontal direction is stopped until the voltage difference comes back into the neighborhood area by the action of the auto focus control.

Description

Technisches GebietTechnical area

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren für ein nicht-kontaktierendes Messen einer Oberflächenform.The present invention relates to a method for non-contact measuring of a surface shape.

Stand der TechnikState of the art

Eine Vorrichtung des Lasersondentyps mit einer Laser-Autofokussierung für ein nicht-kontaktierendes Messen einer Oberflächenform wird verwendet, um die Form und die Körnung eines Präzisionsteils zu messen. Die obere Fläche eines Werkstücks (eines zu messenden Objekts) wird in einer horizontalen Richtung mit vorbestimmten Schrittweiten durch einen Laserstrahl unter Verwendung einer Autofokussierungssteuerung abgetastet. In Übereinstimmung mit der Verschiebungsgröße einer Objektivlinse eines autofokussierenden Optiksystems in einer Fokussierungsrichtung werden Messdaten in Bezug auf eine Oberflächenform des Werkstücks erhalten.A laser probe type laser focusing device for non-contacting surface shape measurement is used to measure the shape and grain of a precision part. The upper surface of a workpiece (an object to be measured) is scanned in a horizontal direction with predetermined pitches by a laser beam using autofocusing control. In accordance with the shift amount of an objective lens of an autofocusing optical system in a focusing direction, measurement data related to a surface shape of the workpiece are obtained.

Die Objektivlinse wird derart gesteuert, dass wie in der japanischen Patentpublikation H07-43110 A angegeben ein Rückstrahl einer Lasersonde in der Mitte eines zweiteiligen Sensors empfangen wird. Das Werkstück wird mit vorbestimmten Schrittweiten vorgeschoben. Wenn dabei eine Bewegung der Objektivlinse veranlasst, dass ein Rückstrahl von dem Werkstück auf die Mitte des zweiteiligen Sensors trifft, wird bestimmt, dass ein fokussierter Zustand hergestellt wurde. Dann wird die Bewegungsstrecke der Objektivlinse erfasst, um Höheninformationen zu der Oberfläche des Werkstücks zu erhalten. Die Höheninformationen zu der Oberfläche des Werkstücks werden mit den vorbestimmten Schrittweiten erhalten, um die Oberflächenform des Werkstücks zu messen.The objective lens is controlled such that, as in the Japanese Patent Publication H07-43110 A a reflection beam of a laser probe in the middle of a two-part sensor is received. The workpiece is advanced at predetermined pitches. When a movement of the objective lens causes a return beam from the workpiece to hit the center of the two-part sensor, it is determined that a focused state has been established. Then, the moving distance of the objective lens is detected to obtain height information about the surface of the workpiece. The height information about the surface of the workpiece is obtained with the predetermined pitches to measure the surface shape of the workpiece.

Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention

Problemstellung der ErfindungProblem of the invention

Die oben genannte Vorrichtung aus dem Stand der Technik tastet ein zu messendes Werkstück mit vorbestimmten Schrittweiten ab. Wenn die Vorrichtung im Fokus ist, werden Höheninformationen erhalten. Danach wird das Werkstück um eine Schrittweite vorgeschoben. Deshalb wird eine lange Messzeit benötigt.The above-mentioned prior art device scans a workpiece to be measured with predetermined pitches. When the device is in focus, height information is obtained. Thereafter, the workpiece is advanced by one step. Therefore, a long measuring time is needed.

Mit Bezug auf den Stand der Technik gibt die vorliegende Erfindung ein Verfahren für ein nicht-kontaktierendes Messen einer Oberflächenform an, das die Oberflächenform eines Werkstücks messen kann, indem es das Werkstück kontinuierlich und nicht intermittierend abtastet.With reference to the prior art, the present invention provides a method for non-contacting surface shape measurement that can measure the surface shape of a workpiece by scanning the workpiece continuously rather than intermittently.

Die Erfindung stellt ein Verfahren für ein nichtkontaktierendes Messen einer Oberflächenform eines Werkstücks nach Anspruch 1 und eine Vorrichtung für ein nichtkontaktierendes Messen einer Oberflächenform eines Werkstücks nach Anspruch 3 bereit.The invention provides a method for non-contact measuring a surface shape of a workpiece according to claim 1 and an apparatus for non-contacting measuring a surface shape of a workpiece according to claim 3.

Das Verfahren für ein nicht-kontaktierendes Messen einer Oberflächenform umfasst folgende Schritte: Erfassen einer Spannungsdifferenz zwischen zwei Sensoren eines zweiteiligen Sensors, und das Bestimmen, ob die erfasste Spannungsdifferenz innerhalb eines Nachbarschaftsbereichs liegt, der soweit um die fokussierte Position festlegbar ist, dass der Rückstrahl der Lasersonde beide Sensoren des zweiteiligen Sensors teilweise erreicht; Berechnen, wenn die erfasste Spannungsdifferenz innerhalb des Nachbarschaftsbereichs liegt, eines Korrekturwerts in einer vertikalen Richtung für eine Objektivlinse in Bezug auf die fokussierte Position; und Addieren des Korrekturwerts zu einer tatsächlichen Position in der vertikalen Richtung der Objektivlinse, um eine Verschiebungsgröße der Objektivlinse in der vertikalen Richtung zu berechnen; wobei, wenn die erfasste Spannungsdifferenz nicht innerhalb des Nachbarschaftsbereichs liegt, das kontinuierliche Abtasten in der horizontalen Richtung gestoppt wird, bis die Spannungsdifferenz durch Tätigkeit der Autofokussierungssteuerung wieder in den Nachbarschaftsbereich kommt.The method for non-contacting surface shape measurement comprises the steps of detecting a voltage difference between two sensors of a two-part sensor, and determining whether the detected voltage difference is within a neighborhood range that is determinable about the focused position such that the backscatter is Laser probe partially reaches both sensors of the two-part sensor; Calculating, when the detected voltage difference is within the neighborhood range, a correction value in a vertical direction for an objective lens with respect to the focused position; and adding the correction value to an actual position in the vertical direction of the objective lens to calculate a displacement amount of the objective lens in the vertical direction; wherein, when the detected voltage difference is not within the neighborhood range, the continuous scanning in the horizontal direction is stopped until the voltage difference returns to the neighborhood area by operation of the autofocusing control.

Kurzbeschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

1 ist eine schematische Ansicht, die eine Vorrichtung für ein nicht-kontaktierendes Messen einer Oberflächenform gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. 1 Fig. 12 is a schematic view showing an apparatus for non-contacting surface shape measurement according to a first embodiment of the present invention.

2 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Optiksystem über einer Objektivlinse zeigt. 2 Fig. 16 is a perspective view showing an optical system over an objective lens.

3 ist eine schematische Ansicht, die einen Optikpfad eines Laserstrahls zeigt. 3 Fig. 12 is a schematic view showing an optical path of a laser beam.

4 ist ein Flussdiagramm, das ein Messverfahren erläutert. 4 is a flowchart illustrating a measuring method.

5 ist eine schematische Ansicht, die eine Vorrichtung für ein nicht-kontaktierendes Messen einer Oberflächenform gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt. 5 Fig. 10 is a schematic view showing an apparatus for non-contact surface measurement measurement according to a second embodiment of the invention.

6 ist eine Draufsicht auf ein Innenzahnrad und eine Drehbühne. 6 is a plan view of an internal gear and a revolving stage.

Ausführungsformen der Erfindung Embodiments of the invention

(Erste Ausführungsform)First Embodiment

1 bis 4 sind Ansichten, die eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen. In den Zeichnungen geben X und Y zwei Richtungen an, die orthogonal zueinander in einer horizontalen Ebene ausgerichtet sind, und gibt Z eine vertikale Richtung an. Die Darstellung von 1 ist schematisch. 1 to 4 Fig. 11 is views showing a first embodiment of the present invention. In the drawings, X and Y indicate two directions orthogonal to each other in a horizontal plane, and Z indicates a vertical direction. The representation of 1 is schematic.

Ein zu messendes Werkstück 1 ist auf einer X-Achsen-Bühne 2 platziert, die frei in der X-Achsen-Richtung verschoben werden kann. Die X-Achsen-Bühne 2 ist auf einer Y-Achsen-Bühne 3 angeordnet, die frei in der Y-Achsen-Richtung verschoben werden kann.A workpiece to be measured 1 is on an X-axis stage 2 which can be freely shifted in the X-axis direction. The X-axis stage 2 is on a Y-axis stage 3 arranged, which can be moved freely in the Y-axis direction.

Über dem Werkstück 1 wird eine Objektivlinse 4 durch eine Fokussierungseinheit 5 gehalten, sodass die Objektivlinse 4 frei in der Z-Achsen-Richtung bewegt werden kann. Die Position (Verschiebungsgröße) der Objektivlinse 4 in der Z-Achsen-Richtung wird durch eine AF-Skala 6 erfasst. Die Position (Verschiebungsgröße) der X-Achsen-Bühne 2 wird durch eine X-Achsen-Skala 7 erfasst. Die Position (Verschiebungsgröße) der Y-Achsen-Bühne 3 wird durch eine Y-Achsen-Skala (nicht gezeigt) erfasst.Above the workpiece 1 becomes an objective lens 4 through a focusing unit 5 held, so the objective lens 4 can be moved freely in the Z-axis direction. The position (shift amount) of the objective lens 4 in the Z axis direction is indicated by an AF scale 6 detected. The position (shift size) of the X-axis stage 2 is through an X-axis scale 7 detected. The position (shift amount) of the Y-axis stage 3 is detected by a Y-axis scale (not shown).

Die AF-Skala 6 der Objektlinse 4 und eine Bühnen-Ansteuereinrichtung 8 zum Ansteuern der X-Achsen-Bühne 2 und der Y-Achsen-Bühne 3 sind mit einer Hauptsteuereinrichtung 2 verbunden, sodass die Verschiebungsgröße der Objektivlinse 4, der X-Achsen-Bühne 2 und der Y-Achsen-Bühne 3 in die Hauptsteuereinrichtung 9 eingegeben werden. Die X-Achsen-Bühne 2, die Y-Achsen-Bühne 3 und die Bühnen-Ansteuereinrichtung 8 bilden eine Abtasteinrichtung, die das Werkstück 1 in den horizontalen Richtungen orthogonal zu einer optischen Achse der Objektivlinse 4 abtastet und mit einer Lasersonde L in der horizontalen Richtungen über die Oberfläche des Werkstücks 1 geht.The AF scale 6 the object lens 4 and a stage driver 8th for driving the X-axis stage 2 and the Y-axis stage 3 are with a main controller 2 connected so that the shift amount of the objective lens 4 , the X-axis stage 2 and the Y-axis stage 3 in the main controller 9 be entered. The X-axis stage 2 , the Y-axis stage 3 and the stage driver 8th form a scanning device, which is the workpiece 1 in the horizontal directions orthogonal to an optical axis of the objective lens 4 scans and with a laser probe L in the horizontal directions over the surface of the workpiece 1 goes.

Über der Objektivlinse 4 ist ein Strahlteiler 10 vorgesehen. Der Strahlteiler 10 lässt 50% des Lichts hindurch und reflektiert 50% des Lichts. Auf einer Seite des Strahlteilers 10 ist eine Laserstrahl-Emissionseinheit 11 angeordnet. Die Laserstrahl-Emissionseinheit 11 ist ein Halbleiterlaser, der einen Laserstrahl L in einer horizontalen Richtung emittiert. Der Laserstrahl L wird durch den Strahlteiler 10 in einer Richtung parallel zu der Z-Achse reflektiert und durch die Objektivlinse 4 gelassen, sodass er auf die Oberfläche des Werkstücks 1 trifft. Eine optisch gewichtete Mitte eines Querschnitts des Laserstrahls L geht durch eine Position hindurch, die sich außerhalb der optischen Achsenmitte der Objektivlinse 4 befindet.Above the objective lens 4 is a beam splitter 10 intended. The beam splitter 10 lets in 50% of the light and reflects 50% of the light. On one side of the beam splitter 10 is a laser beam emission unit 11 arranged. The laser beam emission unit 11 is a semiconductor laser that emits a laser beam L in a horizontal direction. The laser beam L passes through the beam splitter 10 reflected in a direction parallel to the Z-axis and through the objective lens 4 let it rest on the surface of the workpiece 1 meets. An optically weighted center of a cross section of the laser beam L passes through a position located outside the optical axis center of the objective lens 4 located.

Der Laserstrahl L wird durch eine Oberfläche des Werkstücks 1 reflektiert, und ein Rückstrahl L' wird erneut durch die Objektivlinse 4 und anschließend durch den Strahlteiler 10 durchgelassen, um durch eine Abbildungslinse 12 hindurch ein Bild zu erzeugen.The laser beam L passes through a surface of the workpiece 1 reflected, and a return beam L 'is again through the objective lens 4 and then through the beam splitter 10 transmitted through an imaging lens 12 to create an image through it.

Die Position des durch die Abbildungslinse 12 erzeugten Punkts des Rückstrahls L' wird durch einen zweiteiligen Sensor S, d. h. einen Photosensor, erfasst. Der zweiteilige Sensor S umfasst zwei Sensoren „a” und „b”, die eng nebeneinander angeordnet sind.The position of the through the imaging lens 12 The generated point of the return beam L 'is detected by a two-part sensor S, ie a photosensor. The two-part sensor S comprises two sensors "a" and "b", which are arranged close to each other.

Wenn die optisch gewichtete Mitte des Punkts des Rückstrahls L' der Mitte des zweiteiligen Sensors S entspricht, gleichen die Ausgaben aus den zwei Sensoren a und b einander aus. In diesem Fall ist der durch die Objektivlinse 4 durchgelassene Laserstrahl L auf der Oberfläche des Werkstücks 1 fokussiert. Die mittlere Skizze von 2 zeigt einen fokussierten Zustand (II), und die seitlichen Skizzen zeigen einen nach innen verschobenen Zustand (I) und einen nach außen verschobenen Zustand (III) in Bezug auf den fokussierten Zustand.When the optically weighted center of the point of the return beam L 'corresponds to the center of the two-part sensor S, outputs from the two sensors a and b are equal to each other. In this case, that is through the objective lens 4 transmitted laser beam L on the surface of the workpiece 1 focused. The middle sketch of 2 11 shows a focused state (II), and the side sketches show an inward shifted state (I) and an outward shifted state (III) with respect to the focused state.

Ausgaben aus den zwei Sensoren a und b werden in eine AF-Steuereinrichtung 13 eingegeben. Die AF-Steuereinrichtung 13 umfasst einen Komparator 14, eine Steuerschaltung 15 und eine Spannungsverschiebungs-Wandlungsschaltung 16. Die AF-Steuereinrichtung 13 ist mit der Hauptsteuereinrichtung 9 verbunden.Outputs from the two sensors a and b are fed to an AF controller 13 entered. The AF controller 13 includes a comparator 14 , a control circuit 15 and a voltage shift conversion circuit 16 , The AF controller 13 is with the main controller 9 connected.

Um die Ausgaben aus den zwei Sensoren a und b auszugleichen, gibt die Steuerschaltung 15 ein Signal zu der Fokussierungseinheit 5 aus, um die Objektivlinse 4 zu bewegen. In Übereinstimmung mit der Verschiebungsgröße der Objektivlinse 4 werden Höheninformationen zu der Oberfläche des Werkstücks 1 erfasst.To compensate for the outputs from the two sensors a and b, gives the control circuit 15 a signal to the focussing unit 5 out to the objective lens 4 to move. In accordance with the shift amount of the objective lens 4 Be height information about the surface of the workpiece 1 detected.

Das Werkstück 1 wird kontinuierlich mit dem Laserstrahl L abgetastet, indem die X-Achsen-Stufe 2 mit einer konstanten Geschwindigkeit (S2) bewegt wird. Die Autofokussierungssteuerung des Laserstrahls L wird ausgeführt, um das Werkstück 1 kontinuierlich abzutasten und dadurch eine Oberflächenform des Werkstücks 1 entlang der X-Achse zu messen.The workpiece 1 is continuously scanned with the laser beam L by the X-axis stage 2 is moved at a constant speed (S2). The autofocusing control of the laser beam L is performed to the workpiece 1 continuously scan and thereby a surface shape of the workpiece 1 along the X axis.

Wenn der Rückstrahl L' auf die Mitte (neutrale Position) des zweiteiligen Sensors S der vorliegenden Ausführungsform trifft und die Ausgaben aus den zwei Sensoren a und b einander ausgleichen, ist die Objektivlinse 4 auf dem Werkstück 1 fokussiert. Die Objektivlinse 4 muss nicht immer zu einer fokussierten Position bewegt werden, wenn eine kontinuierliche Messung ausgeführt wird.When the return beam L 'hits the center (neutral position) of the two-piece sensor S of the present embodiment and the outputs from the two sensors a and b equalize each other, the objective lens is 4 on the workpiece 1 focused. The objective lens 4 does not always have to be moved to a focused position when a continuous measurement is performed.

Wie in 3 gezeigt, ist die Spannungsdifferenz zwischen den zwei Sensoren a und b des zweiteiligen Sensors S von der optisch gewichteten Mitte eines Punkts abhängig und entspricht einer Verschiebungsgröße der Objektivlinse 4 zu einer fokussierten Position. Insbesondere in einem Nachbarschaftsbereich um eine fokussierte Position herum (in einem Bereich von mehreren Mikrometern um die fokussierte Position herum) ist die Spannungsdifferenz im wesentlichen proportional zu der optisch gewichteten Mitte eines Punkts. Wenn also die Spannungsdifferenz in den Nachbarschaftsbereich (linearen Bereich) kommt, kann eine Bewegungsgröße des Objektivlinse 4 nach oben zu der fokussierten Position berechnet werden, anstatt die Objektivlinse 4 zu der endgültigen fokussierten Position zu bewegen. Wenn nämlich die Objektivlinse 4 in den Nachbarschaftsbereich kommt, wird die Position zu einem für die Wiedergabe einer Distanz von der Position der Objektivlinse 4 nach oben zu der fokussierten Position berechneten Korrekturwert addiert, um eine Verschiebungsgröße der Objektivlinse nach oben zu der fokussierten Position vorzusehen (S6). As in 3 2, the voltage difference between the two sensors a and b of the two-piece sensor S is dependent on the optically weighted center of a dot and corresponds to a shift amount of the objective lens 4 to a focused position. Specifically, in a neighborhood around a focused position (in a range of several microns around the focused position), the voltage difference is substantially proportional to the optically weighted center of a dot. Thus, when the voltage difference comes into the neighborhood area (linear area), a moving amount of the objective lens can 4 be calculated up to the focused position, rather than the objective lens 4 to move to the final focused position. Namely, if the objective lens 4 comes into the neighborhood area, the position becomes one for playing a distance from the position of the objective lens 4 is added up to the focused position calculated correction value to provide a shift amount of the objective lens upward to the focused position (S6).

Die Verschiebungsgrößen der Objektivlinse 4 werden kontinuierlich vorgesehen, während das Werkstück 1 kontinuierlich abgetastet wird, sodass Höheninformationen zu der Oberfläche des Werkstücks 1 kontinuierlich erhalten werden, um eine Form des Werkstücks 1 in der X-Achsen-Richtung zu messen. Die Formmessung in der X-Achsen-Richtung wird fortgesetzt, indem das Werkstück 1 geringfügig in der Y-Achsen-Richtung verschoben wird, um eine dreidimensionale Form der Oberfläche des Werkstücks 1 zu messen.The shift magnitudes of the objective lens 4 are provided continuously while the workpiece 1 is continuously scanned, so that height information to the surface of the workpiece 1 be obtained continuously to a shape of the workpiece 1 in the X-axis direction. The shape measurement in the X-axis direction is continued by the workpiece 1 is slightly shifted in the Y-axis direction to a three-dimensional shape of the surface of the workpiece 1 to eat.

Wenn die durch den zweiteiligen Sensor S erfasste Spannungsdifferenz außerhalb des Nachbarschaftsbereichs liegt, kann das Messverfahren einen Fehler vergrößern oder das Fehlen von Messdaten für einen Teil außerhalb des Nachbarschaftsbereichs verursachen.If the voltage difference detected by the two-part sensor S is out of the neighborhood range, the measuring method may increase an error or cause the lack of measurement data for a part outside the neighborhood area.

Auch wenn die Spannungsdifferenz in einem nicht-linearen Bereich außerhalb des Nachbarschaftsbereichs liegt, ist eine Messung möglich, wenn der Laserstrahlpunkt die beiden Sensoren a und b des zweiteiligen Sensors S teilweise erreicht, um die Erfassung einer Spannungsdifferenz zu ermöglichen. Weil eine Beziehung (nicht-lineare Kennlinie) zwischen der optisch gewichteten Mitte eines Punkts und einer Spannungsdifferenz, d. h. der Verschiebungsgröße der Objektivlinse 4 nach oben zu einer fokussierten Position, bekannt ist, kann eine Form gemessen werden, indem der Nachbarschaftsbereich über den linearen Bereich des zweiteiligen Sensors S hinaus erweitert wird. Dadurch wird jedoch ein Messfehler vergrößert. In diesem Fall werden nicht-lineare Kennliniendaten (eine Tabelle) in der Hauptsteuereinrichtung 9 gespeichert, um eine Verschiebungsgröße der Objektivlinse nach oben zu einer fokussierten Position in Übereinstimmung mit einer erfassten Spannungsdifferenz schnell zu berechnen (zu wandeln).Even if the voltage difference is in a non-linear region outside the neighborhood region, measurement is possible when the laser beam spot partially reaches the two sensors a and b of the two-piece sensor S to enable detection of a voltage difference. Because a relationship (non-linear characteristic) between the optically weighted center of a dot and a voltage difference, ie, the shift amount of the objective lens 4 Up to a focused position, a shape can be measured by extending the neighborhood area beyond the linear area of the two-piece sensor S. However, this will increase a measurement error. In this case, non-linear characteristic data (a table) in the main controller becomes 9 is stored to quickly calculate (convert) a shift amount of the objective lens upward to a focused position in accordance with a detected voltage difference.

Um eine „gewellte Form” der Oberfläche des Werkstücks 1 zu messen, muss die Oberfläche weit gemessen werden, um eine Tendenz der Oberfläche festzustellen. In diesem Fall wird der Messzeit Priorität vor der Messgenauigkeit eingeräumt. Es ergibt sich auch dann kein Problem, wenn ein Bereich mit einem Fehler oder fehlenden Messdaten vorhanden ist.To create a "wavy shape" of the surface of the workpiece 1 To measure, the surface must be measured far to determine a tendency of the surface. In this case, the measuring time is given priority over the measuring accuracy. There is no problem even if there is an area with an error or missing measurement data.

Wenn eine Oberflächenform des Werkstücks 1 genau gemessen werden soll, wird dem Flussdiagramm (S1 bis S7) von 4 gefolgt. Wenn eine Spannungsdifferenz von dem zweiteiligen Sensor S außerhalb des Nachbarschaftsbereichs liegt, wird die Abtastung des Werkstücks 1 in der X-Achsen-Richtung gestoppt, bis die Spannungsdifferenz in den Nachbarschaftsbereich kommt (S4 und S5). Dadurch wird unter Umständen die Messzeit verlängert, wobei jedoch die Form korrekt und genau ohne fehlende Daten gemessen werden kann. Auch wenn das kontinuierliche Abtasten des Werkstücks 1 teilweise gestoppt wird, kann die Messzeit im Vergleich zu dem Stand der Technik, in dem bei jeder Schrittweite auf einen fokussierten Zustand gewartet werden muss, beträchtlich verkürzt werden.If a surface shape of the workpiece 1 is to be measured exactly, is the flowchart (S1 to S7) of 4 followed. When a voltage difference from the two-piece sensor S is outside the neighborhood area, the scanning of the workpiece becomes 1 stopped in the X-axis direction until the voltage difference comes into the neighborhood area (S4 and S5). This may extend the measurement time, but the shape can be measured correctly and accurately without missing data. Even if the continuous scanning of the workpiece 1 is partially stopped, the measuring time can be significantly shortened compared to the prior art, in which each step must be waited for a focused state.

(Zweite Ausführungsform)Second Embodiment

5 und 6 sind Ansichten, die die zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen. Diese Ausführungsform umfasst Komponenten, die denjenigen der ersten Ausführungsform ähnlich sind. Die einander entsprechenden Komponenten werden durch gleiche Bezugszeichen angegeben, wobei hier auf eine wiederholte Beschreibung dieser Komponenten verzichtet wird. 5 and 6 FIG. 12 is views showing the second embodiment of the present invention. FIG. This embodiment includes components similar to those of the first embodiment. The components corresponding to one another are indicated by the same reference numerals, a repeated description of these components being omitted here.

Ein Werkstück als zu messendes Objekt gemäß dieser Ausführungsform ist ein im wesentlichen ringförmiges Innenzahnrad 17, das auf einer inneren Fläche Innenzähne 18 aufweist. Das Innenzahnrad 17 ist auf einer Drehbühne 19 mit einem ähnlichen, hohlen Aufbau platziert. Die Drehbühne 19 ist auf einer X-Achsen-Bühne 2 angeordnet und kann sich frei in einer θ-Richtung drehen. Die Drehbühne 19 ist ähnlich wie die X-Achsen-Bühne 2 und die Y-Achsen-Bühne 3 mit einer Bühnen-Ansteuereinrichtung 8 verbunden.A workpiece as an object to be measured according to this embodiment is a substantially annular internal gear 17 on an inner surface of internal teeth 18 having. The internal gear 17 is on a revolving stage 19 placed with a similar, hollow construction. The revolving stage 19 is on an X-axis stage 2 arranged and can rotate freely in a θ-direction. The revolving stage 19 is similar to the X-axis stage 2 and the Y-axis stage 3 with a stage driver 8th connected.

Innerhalb der Drehbühne 19 mit dem hohlen Aufbau ist eine kreisförmige mittlere Bühne 20 auf der X-Achsen-Bühne 2 angeordnet. An einer Kante der mittleren Bühne 20 ist ein Prisma 21 als eine Reflexionseinheit angeordnet, wobei eine quadratische Reflexionsebene 22 mit einem Winkel von 45 Grad nach außen gerichtet ist. Dabei trifft ein durch eine Objektivlinse 4 hindurchgelassener Laserstrahl L auf die Reflexionsebene 22 des Prismas 21.Inside the revolving stage 19 with the hollow construction is a circular middle stage 20 on the X-axis stage 2 arranged. At one edge of the middle stage 20 is a prism 21 arranged as a reflection unit, wherein a square reflection plane 22 directed outwards at an angle of 45 degrees. It comes through an objective lens 4 transmitted laser beam L to the reflection plane 22 of the prism 21 ,

Der durch die Reflexionsebene 22 reflektierte Laserstrahl L trifft auf die Innenzähne 18. Ein durch die Innenzähne 18 des Innenzahnrads 17 reflektierter Rückstrahl L' wird wiederum durch die Reflexionsebene 22 reflektiert, fällt auf die Objektivlinse 4, wird wiederum durch die Objektivlinse 4 durchgelassen und wird auf einem optischen Pfad erfasst, der demjenigen der zuvor beschriebenen Ausführungsform entspricht. Die Drehbühne 19 dreht das Innenzahnrad 17, wobei der Laserstrahl automatisch auf der Oberfläche des Innenzahns 18 fokussiert wird und die Höhendimensionen (unregelmäßigen Verschiebungen) des Innenzahns 18 in der X-Achsen-Richtung gemessen werden.The one through the reflection plane 22 reflected laser beam L hits the inner teeth 18 , One through the inner teeth 18 of the internal gear 17 reflected return beam L 'is again through the reflection plane 22 reflected, falls on the objective lens 4 , in turn, will pass through the objective lens 4 is transmitted and detected on an optical path corresponding to that of the previously described embodiment. The revolving stage 19 turns the internal gear 17 , where the laser beam is automatically on the surface of the internal tooth 18 is focused and the height dimensions (irregular shifts) of the internal tooth 18 measured in the X-axis direction.

Wenn auch eine Innenfläche eines Werkstücks gemessen wird, muss die Objektivlinse 4 nicht zu einer endgültigen fokussierten Position bewegt werden, wenn eine Spannungsdifferenz zwischen zwei Sensoren a und b eines zweiteiligen Sensors S innerhalb eines Nachbarschaftsbereichs liegt. Wenn diese Bedingung erfüllt wird, kann eine Verschiebungsgröße der Objektivlinse 4 nach oben zu einer fokussierten Position berechnet werden. Dementsprechend wird das Innenzahnrad 17 kontinuierlich in der Drehrichtung abgetastet, um die Form der Innenfläche der Innenzähne 18 innerhalb einer kurzen Zeit zu messen.If an inner surface of a workpiece is also measured, the objective lens must 4 are not moved to a final focused position when a voltage difference between two sensors a and b of a two-part sensor S is within a neighborhood range. When this condition is satisfied, a shift amount of the objective lens can 4 up to a focused position. Accordingly, the internal gear becomes 17 continuously scanned in the direction of rotation to the shape of the inner surface of the internal teeth 18 to measure within a short time.

Effekte der ErfindungEffects of the invention

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird auch dann, wenn ein Rückstrahl von einem zu messenden Werkstück nicht der Mitte des zweiteiligen Sensors entspricht, eine Spannungsdifferenz zwischen den zwei Sensoren des zweiteiligen Sensors für die Berechnung eines Korrekturwerts verwendet, wenn die Spannungsdifferenz innerhalb eines Nachbarschaftsbereichs liegt. Der Korrekturwert wird zu einer tatsächlichen Position der Objektivlinse in einer vertikalen Richtung addiert, um eine Verschiebungsgröße der Objektivlinse nach oben zu einem fokussierten Zustand (nach oben zu einer Position, an welcher der Rückstrahl der Mitte des zweiteiligen Sensors entspricht) zu berechnen. Auf diese Weise ist nicht immer ein tatsächlicher fokussierter Zustand erforderlich, wobei ein Zustand, in dem eine Spannungsdifferenz innerhalb des Nachbarschaftsbereichs liegt, ausreicht, um eine Oberflächenform des Werkstücks zu messen. Die Oberflächenform des Werkstücks kann gemessen werden, indem das Werkstück kontinuierlich abgetastet wird. Dadurch wird die Messzeit verkürzt.According to the present invention, even if a return beam from a workpiece to be measured does not correspond to the center of the two-part sensor, a voltage difference between the two sensors of the two-part sensor is used for the calculation of a correction value when the voltage difference is within a neighborhood range. The correction value is added to an actual position of the objective lens in a vertical direction to calculate a shift amount of the objective lens upward to a focused state (upward to a position where the return beam corresponds to the center of the two-part sensor). In this way, an actual focused state is not always required, and a state where a voltage difference is within the neighborhood region is enough to measure a surface shape of the workpiece. The surface shape of the workpiece can be measured by continuously scanning the workpiece. This shortens the measuring time.

Wenn die Spannungsdifferenz zwischen den zwei Sensoren des zweiteiligen Sensors außerhalb des Nachbarschaftsbereichs liegt, wird das kontinuierliche Abtasten des Werkstücks in einer horizontalen Richtung gestoppt. Durch diese Technik wird eine Oberflächenform mit Formvariationen korrekt gemessen, ohne Messfehler zu vergrößern oder ein Fehlen von Messdaten zu verursachen.When the voltage difference between the two sensors of the two-part sensor is out of the neighborhood area, the continuous scanning of the workpiece in a horizontal direction is stopped. This technique correctly measures a surface shape with shape variations without increasing measurement errors or causing a lack of measurement data.

Claims (4)

Verfahren für ein nicht-kontaktierendes Messen einer Oberflächenform eines Werkstücks durch Autofokussierungssteuerung eines autofokussierenden Optiksystems einer Lasersonde in einer vertikalen Richtung (Z) in Bezug auf eine Oberfläche des Werkstücks (1) und durch kontinuierliches Abtasten des Werkstücks in einer horizontalen Richtung (X, Y), zum Messen der Oberflächenform des Werkstücks in Übereinstimmung mit einer Verschiebungsgröße einer Objektivlinse (4) des autofokussierenden Optiksystems in der vertikalen Richtung, das derart gesteuert wird, dass ein Rückstrahl (L') der Lasersonde in fokussierter Position in der Mitte eines zweiteiligen Sensors (5) empfangen wird, wobei das Verfahren für ein nicht-kontaktierendes Messen einer Oberflächenform folgende Schritte umfasst: Erfassen einer Spannungsdifferenz zwischen den beiden Sensoren des zweiteiligen Sensors und Bestimmen, ob die erfasste Spannungsdifferenz innerhalb eines Nachbarschaftsbereichs liegt, der soweit um die fokussierte Position festlegbar ist, dass der Rückstrahl (L') der Lasersonde beide Sensoren des zweiteiligen Sensors teilweise erreicht, Berechnen, wenn die erfasste Spannungsdifferenz innerhalb des Nachbarschaftsbereichs liegt, eines Korrekturwerts für eine Position der Objektivlinse (4) in der vertikalen Richtung in Bezug auf die fokussierte Position, und Addieren des Korrekturwerts zu der tatsächlichen Position der Objektivlinse in der vertikalen Richtung, um die Verschiebungsgröße der Objektivlinse (4) in der vertikalen Richtung zu berechnen, wobei, wenn die erfasste Spannungsdifferenz nicht innerhalb des Nachbarschaftsbereichs liegt, das kontinuierliche Abtasten in der horizontalen Richtung gestoppt wird, bis die Spannungsdifferenz durch Tätigkeit der Autofokussierungssteuerung wieder in den Nachbarschaftsbereich kommt.A method of non-contact measuring a surface shape of a workpiece by autofocusing control of an autofocusing optical system of a laser probe in a vertical direction (Z) with respect to a surface of the workpiece ( 1 ) and by continuously scanning the workpiece in a horizontal direction (X, Y), for measuring the surface shape of the workpiece in accordance with a shift amount of an objective lens ( 4 ) of the autofocusing optical system in the vertical direction, which is controlled so that a return beam (L ') of the laser probe in a focused position in the middle of a two-part sensor ( 5 ), wherein the method of non-contacting surface shape measurement comprises the steps of: detecting a voltage difference between the two sensors of the two-part sensor and determining whether the detected voltage difference is within a neighborhood range that is determinable about the focused position; in that the return beam (L ') of the laser probe partially reaches both sensors of the two-part sensor, calculating, when the detected voltage difference lies within the neighborhood range, a correction value for a position of the objective lens ( 4 ) in the vertical direction with respect to the focused position, and adding the correction value to the actual position of the objective lens in the vertical direction to the shift amount of the objective lens (FIG. 4 ) in the vertical direction, wherein when the detected voltage difference is not within the neighborhood range, the continuous scanning in the horizontal direction is stopped until the voltage difference comes back into the neighborhood area by operation of the autofocusing control. Verfahren für ein nicht-kontaktierendes Messen einer Oberflächenform nach Anspruch 1, wobei der Nachbarschaftsbereich ein Bereich ist, in dem eine erfasste Spannungsdifferenz eine lineare Beziehung in Bezug auf eine Entfernung von der fokussierten Position aufweist.The method for non-contact surface shape measurement according to claim 1, wherein the neighborhood region is an area where a detected voltage difference has a linear relationship with respect to a distance from the focused position. Vorrichtung für ein nicht-kontaktierendes Messen einer Oberflächenform eines Werkstücks durch Autofokussierungssteuerung eines autofokussierenden Optiksystems einer Lasersonde in einer vertikalen Richtung (Z) in Bezug auf eine Oberfläche des Werkstücks und durch kontinuierliches Abtasten des Werkstücks in einer horizontalen Richtung (X, Y), zum Messen der Oberflächenform des Werkstücks in Übereinstimmung mit einer Verschiebungsgröße einer Objektivlinse (4) des autofokussierenden Optiksystems in der vertikalen Richtung, wobei die Vorrichtung für ein nicht-kontaktierendes Messen einer Oberflächenform umfasst: eine Abtastungseinrichtung, der konfiguriert ist, um das Werkstück kontinuierlich in einer Richtung (X, Y) abzutasten, die horizontal in Bezug auf eine optische Achse der Objektivlinse ist, und eine Steuereinrichtung, die konfiguriert ist, um die Position der Objektivlinse in der vertikalen Richtung (Z) so zu steuern, dass ein Rückstrahl (L') der Lasersonde in fokussierter Position in der Mitte eines zweiteiligen Sensors empfangen wird, wobei die Steuereinrichtung: eine Spannungsdifferenz zwischen den beiden Sensoren des zweiteiligen Sensors erfasst und bestimmt, ob die erfasste Spannungsdifferenz innerhalb eines Nachbarschaftsbereichs, der soweit um die fokussierte Position festlegbar ist, dass der Rückstrahl (L') der Lasersonde beide Sensoren des zweiteiligen Sensors teilweise erreicht, liegt oder nicht, wenn die erfasste Spannungsdifferenz innerhalb des Nachbarschaftsbereichs liegt, einen Korrekturwert für eine Position der Objektivlinse (4) in der vertikalen Richtung in Bezug auf die fokussierte Position berechnet, und den Korrekturwert zu der tatsächlichen Position der Objektivlinse in der vertikalen Richtung addiert, um eine Verschiebungsgröße der Objektivlinse (4) in der vertikalen Richtung zu berechnen, wobei, wenn die erfasste Spannungsdifferenz nicht innerhalb des Nachbarschaftsbereichs liegt, das kontinuierliche Abtasten in der horizontalen Richtung gestoppt wird, bis die Spannungsdifferenz durch Tätigkeit der Autofokussierungssteuerung wieder in den Nachbarschaftsbereich kommt.Apparatus for non-contacting measuring a surface shape of a workpiece by autofocusing control of a laser focusing optics system of a laser probe in a vertical direction (Z) with respect to a surface of the laser probe Workpiece and by continuously scanning the workpiece in a horizontal direction (X, Y), for measuring the surface shape of the workpiece in accordance with a shift amount of an objective lens ( 4 ) of the autofocusing optical system in the vertical direction, wherein the device for non-contacting surface shape measurement comprises: a scanner configured to continuously scan the workpiece in a direction (X, Y) that is horizontal with respect to an optical Axis of the objective lens, and a controller configured to control the position of the objective lens in the vertical direction (Z) so as to receive a return beam (L ') of the laser probe in a focused position in the center of a two-part sensor, wherein the control means: detects a voltage difference between the two sensors of the two-part sensor and determines whether the detected voltage difference within a neighborhood range that is determinable about the focused position, that the return beam (L ') of the laser probe partially reaches both sensors of the two-part sensor , lies or not, if the detected spa within the neighborhood range, a correction value for a position of the objective lens ( 4 ) in the vertical direction with respect to the focused position, and adds the correction value to the actual position of the objective lens in the vertical direction to obtain a shift amount of the objective lens (FIG. 4 ) in the vertical direction, wherein when the detected voltage difference is not within the neighborhood range, the continuous scanning in the horizontal direction is stopped until the voltage difference comes back into the neighborhood area by operation of the autofocusing control. Vorrichtung für ein nicht-kontaktierendes Messen einer Oberflächenform nach Anspruch 3, wobei der Nachbarschaftsbereich ein Bereich ist, in dem eine erfasste Spannungsdifferenz eine lineare Beziehung in Bezug auf eine Entfernung von der fokussierten Position aufweist.The device for non-contact surface measurement measurement according to claim 3, wherein the neighborhood region is an area where a detected voltage difference has a linear relationship with respect to a distance from the focused position.
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